煤液化减压阀空蚀机理及数值预测方法研究

发布时间：2020-11-17 03:05

　　 煤液化减压阀是煤直接液化系统的关键设备，用于高压分离器的液位调节和反应产物的节流降压。该减压阀的运行工况具有温度高、压差大、含固量高的特点，存在严重的空化、空蚀和冲蚀磨损。减压阀的材料升级和表面硬化处理可在一定程度上提高其耐磨损性能，但不足以抵抗严重的空蚀。了解减压阀的内部流动是分析其失效并进行优化的重要途径之一，但实验研究受限于苛刻的实际运行工况而无法开展。因此，开展煤液化减压阀的空蚀机理和空化流动的数值预测方法研究，对于减压阀的空化流场预测及相关优化具有重要意义。 本文基于壁面附近单个空泡溃灭的动力学研究，得到了空泡溃灭的过程及壁面所承受的压力、温度等与空蚀相关的参数；在空蚀机理分析的基础上，根据流体控制方程、湍流模型、空化模型等计算流体力学方法，结合煤液化减压阀的实际结构、运行工况等参数，构建了减压阀三维空化流动的数值预测方法，分析了减压阀内部的空化流动，并提出了运行优化措施。本论文的主要研究内容和结论如下： （1）构建了单个空泡变形、溃灭的数值求解模型，得到了空泡的溃灭过程及流场中压力、速度、温度的变化情况。空泡在壁面溃灭时，壁面承受的最大压力和最高温度随初始半径的增加而增大。 （2）采用本文建立的空化求解模型和煤液化减压阀的实际运行参数，计算得到了不同开度下减压阀内的三维空化流场。随着开度的增加，阀芯头部附近的回流区域和回流速度均减小，且阀芯表面的空化程度降低。 （3）基于控制减压程度抑制空化的思想，数值预测了出口压力增大和进口压力减小时减压阀内部的空化流动情况，提出采用两个减压阀串联安装进行分级减压，且第一级阀门的出口压力控制在7.5~5MPa左右的运行优化措施。 本文的创新性研究在于： （1）建立了考虑气液两相的粘性、可压缩性、热力学性质等因素的空泡溃灭数值计算模型，得到了空泡溃灭的过程以及壁面中心点的压力、温度随时间的变化关系； （2）构建了减压阀三维空化流动的数值预测方法，结合减压阀的实际参数，完成了减压阀内部的空化流场分析，并对阀头的空蚀进行了原因分析； （3）基于控制减压程度抑制空化的思想，提出采用两个减压阀串联安装进行分级减压，且第一个阀门的出口压力控制在7.5~5MPa左右的运行优化措施。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ529
【部分图文】：

江理工大学硕士学位论文 煤液化减压阀空蚀机理及数值预测方法层材料经空蚀损伤后，基体材料在空蚀和磨损的联合作用下将快速流失。在实际的过程中，该减压阀的失效，尤其是阀芯的失效，非常明显（如图 1.1 所示），是煤直化示范工程连续运行的短板。因此，开展煤液化高压差减压阀的空化流动和空蚀机究具有十分重大的学术和工程价值。(b)

是液体中减压的结果，该现象包括从空泡的形成开始直至空穴溃灭的发生在过流固体边界时，往往发生材料的空蚀破坏[27]。空化和空蚀是现象，对流体机械的性能、使用寿命等影响很大[28]，国内外学者对其。空化流动中的空蚀研究物质随着温度、压力的变化都会相应的呈现出固相、液相和气相这三 1.2 所示[29]。当液相和气相进行相态转换的时候，一般存在两种方式加热或者在恒温下减压。若由温度升高引起，称为“沸腾”，若温度基降所引起，称为“空化”。当空化泡在壁面附近溃灭时，往往会形成材

图 1.3 空泡溃灭微射流机理空泡溃灭的时间尺度非常小，以致气体压缩产生的热量不足以被周围的液体冷却，如果高温气体与金属表面接触，会使其局部强度降低而更容易被损伤[70]。Suslick[71]认为声致空泡存在两个区域：溃灭气穴的气相区域温度为 5200 K 左右，紧邻溃灭空穴的薄液层的温度为 1900 K 左右。Flint[72]通过对空泡溃灭发光的光谱分析，认为空泡溃灭的有效温度高达 5075 K。陈皓生[73]在低碳钢空蚀试样表面的侵蚀坑周围发现了彩虹环，认为是空泡溃灭时的高温气体接触金属表面引起的高温氧化，且彩虹环的形状与空泡在溃灭后期的形状相关。Laguna-Camacho[74]在振动空蚀试样表面也发现类似的彩色坑，认为是空泡溃灭高温的影响。1.2.3.2 空泡溃灭数值研究Rayleigh[75]于1917年建立了描述静止不可压缩无粘流体中球形空泡溃灭的微分方程
【参考文献】

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本文编号：2887013